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32 Informador Tcnico 72 | 2008
Las propiedades de tensin incluyen esfuerzo, elongacin y mdulo
de tensin. Estas propiedades son determinadas por el estiramiento
de una probeta estndar a una velocidad constante con la ayuda de
una mquina de tensin.
Se denomina esfuerzo de tensin a la fuerza o esfuerzo, expresado
en MPa o N/mm2, requerida para romper la probeta estndar por
estiramiento a una velocidad constante.
El esfuerzo de tensin de diferentes elastmeros puede variar
desde 7 N/mm2 hasta por encima de 45 N/mm2, dependiendo del
elastmero base y de los ingredientes utilizados en la
formulacin.
La elongacin o deformacin, se refiere a la extensin producida
por una fuerza de tensin aplicada a un espcimen estndar y se
expresa como porcentaje de la longitud original. Una elongacin del
300%, por ejemplo, significa que el espcimen ha sido estirado 4
veces su longitud original.
Elongacin o deformacin, se refiere a la extensin
producida por una fuerza de tensin aplicada a un espcimen
estndar y se expresa como porcentaje de la longitud original
Ciro MartnezUniversidad de AntioquiaFacultad de
IngenieraDepartamento de Ingeniera de Materiales
II ParteII Parte
Informes Tcnicos
EN LA INDUSTRIA DEL CAUCHO
CONTROL DE CALIDADCONTROL DE CALIDAD
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Informador Tcnico 72 | 2008 33
norma ISO 37 son 20(2) C, 23(2) C o 27(2) C.
Las variaciones en la velocidad de la elongacin tienen un gran
efecto en la ltima elongacin: a medida que se incrementa la
velocidad el mdulo se incrementa, la ltima elongacin disminuye y la
resistencia a la tensin puede aumentar o disminuir (Tabla 1).
Es importante resaltar que las propiedades de tensin son
influenciadas por el efecto de grano causado por la accin del
mezclado en el molino, lo que genera una orientacin regular de las
cadenas y molculas en una sola direccin. Por ejemplo, se obtendrn
altos valores de tensin cada vez que los ensayos sean realizados en
la misma direccin del grano, es decir, en la misma direccin del
molineado.
Se hace nfasis en que la prueba de tensin debe realizarse en
probetas que no hayan sufrido previamente
de dimensiones, aunque varios tipos y formas pueden generar
resultados diversos. La medida de resistencia a la tensin decrece
con el aumento del rea seccional en la pieza de ensayo; ms an,
cuando las probetas en forma de anillo arrojan valores ms bajos que
las de tipo corbatn.
sto ocurre principalmente porque en el anillo estirado el
esfuerzo de tensin y la deformacin no son uniformes sobre el rea
seccional y varan a un mximo del centro de la circunferencia hasta
un mnimo afuera de ella. Por ello es importante establecer
comparaciones entre especmenes que presenten ca-ractersticas
similares de forma y tamao.
La temperatura a la cual se ejecuta el ensayo afecta de manera
significativa los resultados y en consecuencia, se debe controlar y
reportar en los resultados. Las temperaturas estndar del
laboratorio especificadas en la
La elongacin ltima o rompimiento es el de tiempo de ruptura y se
determina simultneamente con el esfuerzo de tensin. La elongacin al
rompimiento de diferentes mate-riales elastomricos puede variar
desde -100% hasta por encima de 1,000%, segn la formulacin del
compuesto.
El mdulo de tensin que se aplica a los elastmeros se define como
la fuerza, expresada en N/mm2, requerida para producir una cierta
elongacin. La elongacin de ensa-yo tpica es de 100 o de 300%;
entonces, si se requieren 5 N/mm2 para producir una elongacin de
100%, se dice que el elastmero tiene un mdulo al 100% de 5
N/mm2.
El mdulo de tensin es una medida de rigidez y del grado de
vulcanizacin del compuesto de caucho. Por lo general, se de-termina
durante el ensayo de esfuerzo de tensin. El mdulo de un compuesto
de caucho al 100% puede variar desde 1 N/mm2 hasta por encima de 13
N/mm2, segn la composicin qumica del compuesto.
Los mtodos estndar para de-terminar las propiedades estn dadas
en las normas ISO 37, ASTM D 412, BS 903: parte A2 y DIN 53504. El
ensayo de tensin involucra el estiramiento de una probeta estndar
al rompimiento a con una velocidad constante y una mquina de
tensin. La probeta de ensayo corta una lmina moldeada utilizando
dos tipos de probetas: las de anillo y las de corbatn.
Algunas normas tcnicas permiten usar probetas de una gran
variedad
Informes Tcnicos
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Las probetas de ensayo tipo corbatn de 10 a 13 cm de longitud se
cortan con un troquel de una lmina plana y marcandose en la seccin
ms angosta con lneas de separacin de 2,5 a 5,0 cm.
Los bordes de las probetas se ubican en las mordazas de la
mquina, la cual se activa y fija a la velocidad especfica por la
norma aplicada. La pieza de ensayo se estira hasta lograr el
rompimiento.
La distancia es determinada por las marcas de separacin cuando
se ocasiona el rompimiento para calcular la elongacin.
La temperatura estndar para acondicionar las muestras y
reali-zar el ensayo, generalmente es de 232C.
Los ensayos de tensin contribuyen al control de la produccin. En
parti-cular, la resistencia a la tensin es muy sensible a cualquier
c a m b i o e n l o s compuestos de caucho, resultado de los
percances en su proceso de manufactura.
Los ensayos de
tensin tambin son usados para determinar la resistencia de los
elastmeros al deterioro por accin del calor, lquidos, gases,
qumicos y ozono, entre otros. Para tales fines, la resistencia a la
tensin, el mdulo de tensin y la elongacin ltima se miden antes y
despus de la exposicin. Si los cambios obtenidos son mnimos, se
espera que los compuestos tengan una larga durabilidad en el
tiempo.
Es importante reconocer que las propiedades de tensin se
restringen al diseo de ingeniera. No resulta conveniente usar
clculos en los diseos, ya que guardan poca relacin con el desempeo
prctico. A diferencia del acero, el esfuerzo y la deformacin no son
proporcionales en los elastmeros, particularmente a altos
esfuerzos.
La Figura 4 presenta la resistencia a la tensin de diferentes
elastme-ros para diferentes durezas. Estas curvas son un
instructivo para los tcnicos del caucho y reafirman la idea que no
se deben usar para los clculos en los diseos de ingeniera o con
fines de
34 Informador Tcnico 72 | 2008
algn tipo de estiramiento.
Hay que tener en cuenta que la curva de esfuerzo-deformacin de
un compuesto de caucho es nica y no se puede obtener de nuevo en un
subsiguiente estiramiento, pues el material cambia.
La Figura 2 muestra la curva de esfuerzo-deformacin original (I)
y una segunda (II) del mismo material pero que ha sido previamente
estirado una sola vez al 300% de elongacin. Hasta 300% de
elongacin, la segunda curva muestra deformacin ms baja, pero
continuando con la curva, casi coincide con la primera curva. Este
comportamiento se llama esfuerzo de ablandamiento.
Las propiedades de esfuerzo - deformacin de los compuestos de
caucho se miden en una mquina de ensayos de tensin, como se ilustra
en la Figura 3.
Los antiguos y pesados dina-mmetros de pndulo se han reemplazado
por los transductores sin inercia que convierten la fuerza en una
seal elctrica. Las medidas del esfuerzo y la deformacin se toman
frecuente-mente desde cero esfuerzo hasta el punto de rompimiento,
los datos se registran grficamente.
PROPIEDAD VELOCIDAD DE ELONGACIN200 mm/min 500 mm/min
Mdulo al 100% (N/mm2) 3,0 4,5Mdulo al 200% (N/mm2) 9,0
11,0Esfuerzo de tensin (N/mm2) 13,7 14,6Elongacin al rompimiento
(%) 320 270
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seleccionar un compuesto para una aplicacin especfica.
As mismo, las propiedades de tensin no son un indicador
confiable de la calidad del caucho. Los compuestos con resistencia
a la tensin por debajo de 7 MPa son usualmente los que ms adolecen
de la mayora de las propiedades mecnicas, y aquellos que tienen una
resistencia a la mayor tensin de 21 MPa tienen las mejores.
Sin embargo, en la mitad de este rango -10 y 20 MPa-, cubre la
gran mayora de los productos de caucho, la correlacin entre la
resistencia a la tensin, estas propiedades como la resiliencia,
resistencia a la abrasin, com-presin set y resistencia a la flexin
son, en el mejor de los casos, pura casualidad.
Los compradores de productos de
Informador Tcnico 72 | 2008 35
Informes Tcnicos
caucho que sobre-especifican las propiedades de tensin,
obser-varn que estn pagando un precio innecesariamente alto, o que
tal vez estn sacrificando otras propiedades que sean ms
importantes.
Cabe resaltar que en las especifi-caciones de los productos de
caucho se deben basar ms en el servicio, que en los ensayos fsicos
arbitrarios. La resistencia a la tensin y la elongacin son
propiedades tiles para los tcnicos del caucho en el desa-rrollo de
compuestos, control de manufactura y para determinar la resistencia
de los compuestos al ataque de varios qumicos.
Los ensayos de tensin son aplicados universalmente para
determinar el efecto de varios ingredientes y son particularmente
tiles cuando tales ingredientes
afectan la velocidad y el estado de la vulcanizacin del
caucho.
De igual modo, estas pruebas son excelentes para el control de
calidad del producto una vez que el compuesto ha sido seleccionado.
Estos ensayos son muy sensibles a los cambios en las condiciones de
manufactura y se pueden emplear para identificar una sub o sobre
vulcanizacin.
Los ensayos de tensin tambin se pueden efectuar antes y despus
de alguna exposicin para determinar la resistencia relativa de un
grupo de compuestos al deterioro por calor, aceites, ozono,
condiciones ambientales, qumicos, etc. An en pequeas escalas de
deterioro, se notan cambios en las propiedades de tensin. La
retencin de las propiedades de tensin son mucho ms significativas
que el valor absoluto antes y despus
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24, 72 o 168 horas. El perodo de recuperacin despus que se ha
retirado la deformacin a la pieza es de 30 minutos.
Si el elastmero se comprime bajo condiciones especficas, el
decrecimiento residual en su espesor despus de remover la fuerza de
compresin se conoce como compression set. sta usualmente se expresa
como un porcentaje de la deflexin utiliza-da. Un porcentaje de 100%
de compression set significa una de-formacin completa; 0% significa
ausencia de deformacin. El valor de compression set depende de la
temperatura, cantidad y duracin de la deformacin.
Es requisito esencial para una baja compression set la
temperatura de servicio en los materiales de sello. La compression
set no debe ser 100%, an despus de largos perodos de tiempo. Es la
tendencia permanente a llegar a su forma original, manteniendo la
fuerza necesaria para el sellado
expresado como porcentaje de la longitud original, es el set
permanente en tensin.
Tension Set 100
0
0 xLLLLi
s =
Donde:
Lo: Longitud original de referencia de la probeta.
Ls: Longitud de referencia de la probeta estirada.
Li : Longitud de referencia despus de la recuperacin.
El porcentaje de deformacin se debe seleccionar segn la
aplicacin final del vulcanizado y referente a la elongacin, hasta
el rompimiento y a la temperatura del ensayo.
Generalmente se utiliza un valor de 100% pero tambin se aceptan
valores de 25%, 50%, 200% y 300%. Los ensayos pueden efectuarse a
temperaturas de 23C, 70C, 85C, 100C, 125C o 150C y la duracin del
ensayo puede ser
del ensayo de exposic in.Por ejemplo, si la resistencia a la
tensin de un caucho cae de 21 a 14 MPa despus de una exposicin en
aceite, y un segundo caucho de 12 a 11 MPa, es ste el que ms se
acomodara a la prctica. Una retencin de la resistencia a la tensin
superior es un buen indicador de que el segundo caucho retendr ms
de sus otras propiedades.
Los elastmeros no son per-fectamente elsticos. Son ma-teriales
visco-elsticos que se comportan parcialmente como un lquido viscoso
y un slido elstico. Una deformacin prolongada deja en algunas
ocasiones un grado de deformacin permanente, lo cual significa que
una parte de la deformacin se recupera y otra se retiene. La
compression set, los esfuerzos de relajacin y la cedencia elstica o
creep son propiedades de cambios progresivos que resultan de
aplicar de manera prolongada un esfuerzo o deformacin.
Los mtodos para medir la tensin set en Europa generalmente se
rigen por la norma ISO 2285, que consisten en estirar una probeta
estndar o un corbatn, tal como se observa en la Figura 5 con un
esfuerzo constante, mantiene la elongacin durante un perodo de
tiempo determinado; la carga se remueve permitiendo su recupe-racin
durante 30 minutos. El incremento en la elongacin entre las marcas
de la pieza de ensayo,
36 Informador Tcnico 72 | 2008
Figura 5. Medidas de la Probeta de Tensin Set.
Informes Tcnicos
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Informador Tcnico 72 | 2008 37
entre las superficies.
Los mtodos estndar para la medida de la compression set a
temperaturas bajas, ambiente y altas se explican en la Tabla 2.
All se emplean dos medidas de discos para el ensayo, que son los
que se utilizan para el ensayo de los esfuerzos de relajacin. Los
especmenes de ensayo se comprimen hasta un determinado porcentaje
de su altura original, dependiendo de su dureza.
El aparato de compression set se fija a un tiempo y a una
temperatura especifica y despus mide el espesor recuperado. La
compression set se diferencia entre el espesor original y el
espesor despus de la recuperacin, y se expresa como porcentaje de
la deflexin utilizada.
En contraste con el ensayo de los esfuerzos de relajacin, la
compression set es fcil de medir, y requiere un aparato simple y de
bajo costo (Figura 6).
Se comprimen pequeos discos de dimensin conocida a una altura
fija en un montaje simple de guas. Las guas constan de dos o ms
placas metlicas paralelas, las cuales deben ser lo suficientemente
rgidas para permitir la deformacin de las probetas sin que se
doblen,
teniendo una medida tal que pueda albergar las piezas de ensayo.
Los platos se unen mediante tuercas y tornillos.
Las barras espaciadoras son de un dimetro apropiado y se ubican
entre los platos para controlar el espesor de la pieza de ensayo
cuando se encuentra comprimida.
Las medidas recomendadas para los discos son 13,0 mm de dimetro
por 6,3 mm de espesor o 29,0 mm de dimetro por 12,5 mm de espesor
(Figura 7).
Las dos clases de probetas no siempre dan las mismas medidas de
compression set y las comparaciones se deben hacer con las mismas
probetas de ensayo.
El uso de lubricantes en las superfi-cies de contacto es
opcional y puede, en algunos de los casos, dar resultados ms
reproducibles.
Sin embargo, el lubricante puede afectar el resultado de la
compre-sin set y nuevamente, las compa-raciones slo debern hacerse
cuando las condiciones de ensayo sean similares.
Es recomendable que al menos tres probetas sean ensayadas para
determinar los resultados que se promedien. Las tuercas de sujecin
debern apretarse firmemente hasta que las placas estn en contacto
con los espaciadores, los cuales generalmente tienen una medida que
proporcionan una deformacin del 25% a las piezas de ensayo. El
dispositivo de la compression set con las piezas de ensayo se sita
en la parte central del horno a las temperaturas recomendadas de
23C o una de las nueve temperaturas entre 70C y 250C. La duracin
del ensayo es de 24 horas para temperaturas elevadas o de 72 horas
a 23C. Se pueden
ESTNDAR ISO
TITULO Norma correspondiente
815 Caucho vulcanizado. Determinacin del compression set bajo
deflexin constante a temperatura normal y elevada.
ASTM D 395BS 903,
parte A 6DIN 53517
1653 Caucho vulcanizado. Determinacin del compression set bajo
deflexin constante a bajas temperaturas.
ASTM D 1229BS 903,
parte A 39DIN 53517
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Informe Tcnico
38 Informador Tcnico 72 | 2008
Las medidas de la permanent set pueden ser tiles para el control
de produccin, porque indican el grado de vulcanizacin que ha tomado
lugar en el compuesto, adems es til para seleccionar compuestos
entre varias alternativas.
Los compuestos no deseados pueden ser identificados si la
permanent set falla en un rango alto. De otro lado, si la permanent
set se encuentra en un bajo rango, las diferencias entre los
valores probablemente no da-rn una indicacin verdadera del desempeo
en servicio.
La principal dificultad con la permanent set es el tiempo de
ensayo, es relativamente corto con relacin al tiempo en
servicio. Por ejemplo, las empaquetaduras de las tuberas del
alcantarillado principal deben retener sus propiedades de sellado
por dcadas, en donde el ensayo slo se hace en unas cuantas
horas.
La compression set es el grado de recuperacin de una parte
elastomrica, pero no es una medi-da de la fuerza que l ejerce, la
cual es materializada en el sellado. Sin embargo, se ha encontrado
que hay una muy buena correlacin entre el compression set y el
esfuerzo de relajacin.
La medida compression set no necesariamente se correlaciona con
el desempeo en el servicio. De hecho, el hinchamiento causa-do por
el contacto con el fluido en servicio puede compensar la
compression set. Por otra parte, una combinacin de una alta
compression set y una contraccin puede dar lugar a escapes.
Existe una tendencia generalizada a sobre-enfatizar en el valor
de la compression set. No obstante, es necesario tener un buen
balance de todas las propiedades para obtener un desempeo
ptimo.
Finalmente, es importante anotar que el compression set es un
ensayo efectivo como control de calidad para evaluar el estado de
cura.
establecer otras condiciones siempre y cuando los ensayos
comparativos se realicen bajo las mismas condiciones.
Al final del tiempo especifico, las piezas de ensayo se remueven
de las guas y se les da un tiempo de recuperacin de 30 minutos a
23C antes de medir de nuevo el espesor.
La compression set es la diferencia entre el espesor original de
la pieza de ensayo y el espesor despus de la recuperacin, expresado
como un porcentaje de la compresin aplicada inicialmente.
1000
0 xTTTT
s
r
=
Donde:
To : Espesor original de la pieza de ensayo. Tr: Espesor de la
pieza de ensayo despus de su recuperacin.Ts: Espesor de la barra
espa-ciadora.
Significado
